三维地形表面的可视化实现

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1、三维地形表面的可视化实现许家帅三维地形表面的可视化实现许家帅（交通部天津水运工程科学研究所，天津300456）摘要：三维地形的可视化研究是当前对港口、航道等进行地形演变、泥沙淤积等分析研究的前沿课题，是快速、及时地再现地形三维信息及综合分析的有效途径。文中介绍了如何通过微软VB开发平台实现地形表面的三维可视化，并实现三维图形的缩放、旋转与输出。关键词：计算机图形学；克里格金法；三维地形可视化；四边形网格中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1005-844（32003）01-0023-031前言计

2、算机图形学（ComputerGraphics）是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科，其应用范围十分广泛。随着计算机及计算机图形学的发展，三维可视化模型已逐步成为当前对海岸港口、内河航道等进行河床演变、泥沙淤积分析研究的前沿及主要手段，也是快速、及时地再现地形三维信息及综合分析的有效途径。本文将介绍通过对地面高程数据文件的处理，在VisualBasic编译环境下编程实现地形表面模型的三维可视化。2原始数据格式及处理方法表1原始数据格式2.1原始数据格式x坐标y坐标z坐标样点13582.157100

3、79.899.2原始数据的格式一般为文本格式，可直接用文本样点23369.2019844.838.9编辑器对其进行编辑和修改。文件包含样点的地理坐样点33158.2869610.828.9标（x，y）及当前样点的属性值（z，即样点水深），完成：：：：后的数据文件格式如表1所示。样点n8985.7095705.335.32.2可视化前期处理由于地形表面不同于一般函数曲面，且形态较为复杂，无法用某一确定的数学公式表达和处理［1］。因此，需要对离散的样点进行插值来插补未知高程，即对原始数据进行格网化插值。格网化是指采

4、用一定的格网化方法（即数学模型）对不规则分布的原始数据点进行插值，生成在原始数据分布范围内规则间距的数据点分布。目前关于对数值插值的方法很多，GoldenSoftware软件公司中Surfer软件包中就封装有克里格金（Kriging）法、距离加权法、趋势面法、最小曲率法及三角剖分（线性）法等几种平面插值方法。其中克里格金法是一种适用于许多领域的数值格网化方法［2］，它是以法国D.G.Kriging的名字命名的一种最优内插法。克里格金法分为两步，第一步对空间数据进行结构分析，在充分了解场的性质的前提下，提出变差函

5、数模型，第二步是在该模型的基础上进行克里格金计算。本文就是采用通过克里格金法插值产生的四边形网格［3］数据作为地形表面模型数据。插值后的文件格式如表2所示。收稿日期：2002-11-05作者简介：许家帅（1975-），男，山东省人，助工，毕业于长沙交通学院，主要从事港口与航道工程研究。·23·水道港口第24卷第1期2003年3月JournaIofWaterwayandHarbour表2插值后数据文件格式及注释数据文件注释10080X向结点数Y向结点数3100.2814854.76X最小值X最大值2438.641

6、7553.90Y最小值Y最大值3.214.8Z最小值Z最大值4.24.3⋯8.5Z（1，1）Z（1，2）⋯Z（1，100）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9.29.1⋯7.2Z（80，1）Z（80，2）⋯Z（80，100）3地形表面三维图形显示3.1网格结点的空间转换空间转换是指将网格结点从三维空间转换到二维空间。计算机屏幕是一个平面，要把三维地形表面在平面上显示出来，首先必须把网格点的三维坐标变换为平面坐标，即把处在坐标系（O-XYZ）上表征地形的三维坐标（x，y，z）投影在平面坐标（SX，SY）上，并且此平面位于被观测者与

7、观测者之间［4］。设θ为观测在O-XY面上的投影线与X轴之间的夹角，φ为观测线与Z轴的夹角，根据空间几何关系得出：Sx=-Xsinθ+Ycosθ（1）Sy=-Xcosθcosφ-Ysinθcosφ+Zsinφ（2）由式（1）、式（2）即可求出结点的投影坐标。3.2视区比尺定义计算机屏幕上的位置通过象素体现，屏幕上的每一个点代表一个象素，在Windows98环境下，屏幕分辨率通常为800×600，即能显示800×600个象素。通过三维地形的二维表示得到的地形网络模型各点的二维坐标值是相对于用户投影坐标系的，要全部

8、或部分显示网络模型，必须通过比例缩放把这些二维坐标值转换为计算机屏幕上的象素。在VB6中，图形框的坐标是由Scale方法实现的，其格式为：Pic.Scal（eXmin，Ymax）-（Xmax，Ymin）其中：Pic.为图形框，Xmin、Ymax分别为图形框左上角的水平（X-轴）和垂直（Y-轴）坐标；Xmax、Ymin分别为图形框右下角的水平（X-轴）和垂直（Y-轴）坐标（图1）。如图1